Hartschäume auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen

Die weltweit spürbar werdende Verknappung von fossilen Rohstoffen und der steigende Bedarf an petrolchemisch hergestellten Kunststoffen stellt die Gesellschaft vor enorme umwelt-ökonomische Herausforderungen, sodass sich die global wachsende Inanspruchnahme von stofflichen und energetischen Kapazitäten zunehmend in einer effizienteren Produkt und Prozessgestaltung widerspiegeln.

Dadurch entstehen neue Spielräume für innovative Substitutionswerkstoffe, die mit vergleichbaren oder  vollkommen neuen Eigenschaften, konventionelle Werkstoffe ersetzen können und somit zu einer Flexibilisierung des Materialeinsatzes innerhalb der Wertschöpfungskette beitragen.

Diesem Leitgedanke hat sich ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik in Halle verschrieben, um den Leichtbau auf Basis von Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen voranzutreiben. Im Fokus steht hier vor allen Dingen die Substitution petrolchemischbasierter Kunststoffe, durch die vergleichsweise junge Materialklasse der modifizierten thermo- und duroplastischen Biopolymere, mit denen eine nachhaltige Nutzung natürlicher Ressourcen sichergestellt werden kann. Verarbeitet man Biopolymere zu Schaumstoff entstehen effiziente Werkstofß ösungen, die aufgrund der Vorgeschichte des Kunststoffs und dem geringen Raumgewicht bei gleichzeitig hohen mechanischen Festigkeiten, für zahlreiche Anwendungen z.B. in der Bau und Medi-zintechnik sowie im Fahrzeugbau in Frage kommen. Aus diesem Kontext heraus entstand am Fraunhofer IWM die Motivation, eine automatisierbare Verfahrenstechnik zum Verschäumen von pflanzenölbasierten Reaktivharzsystemen zu entwickeln. Bei den Reaktivharzsystemen handelt es sich um funktionalisierte pflanzliche Fettsäuren, die aufgrund ihrer Reaktionskinetik in Anwesenheit einer Härterkomponente bzw. eines Initiators zu einem irreversiblen duromeren Formstoff vernetzen.

Grundlegend werden die Methoden zur Schaumstoffherstellung in chemische, physikalische und mechanische Verfahren unterteilt. Beim chemischen Schäumen wird das für die Expansion des Kunststoffs notwendige Gas durch einen meist thermisch aktivierten Zerfallsprozess eines flüssigen Treibmittels realisiert. Im Gegensatz dazu liegt den physikalischen und mechanischen Methoden das Verdampfen niedermolekularer Flüssigkeiten bzw. die Ausdehnung überkritischer Fluide zugrunde. Pflanzenölbasierte Reaktivharze werden in der Regel auf chemischem Wege verschäumt. Dem Stand der Technik zufolge kommen vor allem organochemische Treibmittel, wie Hydrazid- und Azoverbindungen zum Einsatz. Solche Substanzen zerfallen unter Bildung von u.a. erheblich toxikologisch einzustufenden Spaltprodukten.

Insbesondere das beim Verschäumen freiwerdende Kohlenmonoxid, als ein Vertreter giftiger und hochentzündlicher Gase, muss in diesem Zusammenhang als kritisch beurteilt werden. Die im Rahmen der Forschungsaktivitäten konzipierte Verfahrenstechnik zählt entsprechend der Schaumbildungsmechanismen zur Gruppe der physikalischen Treibschaumverfahren gezählt werden. Das Verfahrensprinzip beruht auf der Herstellung einer Emulsion, bestehend aus dem pflanzenölbasierten Reaktivharz und fein dispergiertem Wasser. Das Wasser fungiert hierbei als Treibmittel und kann durch die Reduzierung des Systemdrucks, bei Temperaturen im Bereich derAushärtetemperatur des Harzsystems, verdampft werden. In Kombination mit turbulenten Mischprozessen lassen sich Blasen erzeugen, die als Keimbildner wirken und in Folge der Treibwirkung des entstehenden Wasserdampfes das Harzsystem zu einem Schaumstoff aufblähen.

Bild 1: Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen ungefüllten leinölbasierten Epoxidharzschaumstoff mit einer Rohdichte von 90 kg/m3

Bild 1: Spannungs-Dehnungs-Diagramm für einen ungefüllten leinölbasierten Epoxidharzschaumstoff mit einer Rohdichte von 90 kg/m3

Gegenüber herkömmlichen Verschäumungsmethoden bietet das innovative Verfahren eine Reihe von Vorteilen, wie etwa die Verwendung eines physiologisch unbedenklichen Treibmittels. Bekanntlich handelt es sich bei Wasser um einen umweltneutralen und vergleichsweise preiswerten Einsatzstoff. Die anfallenden Prozessgase bedürfen somit keiner aufwendigen Aufbereitungs- bzw. Entsorgungsmaßnahmen. Daraus ergibt sich eine Innovation, die mit einem erheblichen Anlagen- und Energiesparpotenzial einhergeht. Der gegenwärtige Entwicklungsstand der Verfahrenstechnik erlaubt die Herstellung von Hartschaumstoffen mit einer minimalen Rohdichte von 90 kg/m3 und einer maximalen Druckfestigkeiten bis zu 2 MPa (Bild 1). Es ist davon auszugehen, dass sich in Folge einer prozesstechnischen bzw. materialspeziÞ schen Optimierung das Spektrum der Materialkennwerte noch erweitern wird. Die computertomografisch gestützte Bildanalyse der Schaumstoffmorphologie ergab, dass sich in Abhängigkeitder Prozessgestaltung offen-, geschlossen- oder gemischtzellige Strukturen erzeugen lassen. Aus den ermittelten Statistiken zu Zellgröße und Zellgrößenverteilung kann man ableiten, dass im Falle eines leinölbasierten Epoxidharzsystems sehr homogene Schaumstoffe hergestellt werden können. Gemäß dem bisherigen Kenntnisstand kann das Eigenschaftsprofil konventioneller Schaumstoffe, wie etwa das des marktbeherrschenden Polyurethans,abgebildet werden. Erste Messungen zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit haben ergeben, dass das thermische Isolationsvermögen der leinölbasierten Hartschäume das der etablierten Polymerschäume sogar übersteigt. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und der innovativen Verschäumungsmethode können die Bio-Hartschäume als emissionsarm eingestuft werden. Durch die Entwicklung eines ersten Prototypenwerkzeuges, zur diskontinuierlichen Herstellung von Schaumstoffhalbzeugen, wurde eine vielversprechende Grundlage für die systematische Optimierung von Prozess und Material erschaffen. Um marktfähige Halbzeugabmessungen bzw. komplexe Integralschaumstoffstrukturen erzeugen zu können, wird in einem nächsten Schritt die Überführung der Prozesstechnik in den Industriemaßstab avisiert.

Bild 2: Sandwichaufbau bestehend aus einem leinölbasierten Hartschaum als Kernmaterial und verpresste Decklagen aus Flachs-/Hanfgewebe (100 x 100 x 100) mm

Bild 2: Sandwichaufbau bestehend aus einem leinölbasierten Hartschaum als Kernmaterial und verpresste Decklagen aus Flachs-/Hanfgewebe (100 x 100 x 100) mm

In Abhängigkeit der noch ausstehenden Entwicklungsarbeiten diverser modularer Werkzeugkonfigurationen, soll die Prozesstechnik für eine den Marktbedürfnissen entsprechend flexiblen Produktgestaltung zur Verfügung stehen. Aus dem exemplarisch aufgezeigten positiven Eigenschaftsspektrum der leinölbasierten Hartschäume ergibt sich eingroßes Anwendungspotenzial, sodass diese Materialgruppe als vielversprechender Substitutionswerkstoff betrachtet werden kann. Im Bereich des Strukturleichtbaus kommen sehr häufig Sandwichstrukturen zum Einsatz, wobei als Kernmaterial in der Regel Schaumstoff verwendet wird. Der Sandwichaufbau vereint sehr gute mechanische Eigenschaften, wie z.B. hohe Biegesteifigkeiten, mit geringem Materialeinsatz und entspricht folglich dem Ansatz einer effizienten Ressourcennutzung (Bild 2). Neben der Einsatzmöglichkeit als Kernmaterial in Sandwichbauteilen ergeben sich in Abhängigkeit der Schaumstoffeigenschaften weitere Anwendungsgebiete. Bisherige Untersuchungen an den hergestellten Hartschäumen offenbarten, dass das innovative Materialsystem sehr gute mechanische und thermische Eigenschaften aufweist, sodass der Einsatz in Form von Dämmelementen im Bau- und Transportwesen denkbar ist. Dem Einzug der biobasierten Schaumstoffe als Massenprodukt steht gegenwärtig vor allem der vergleichsweise hohe Materialkostenaufwand gegenüber. Perspektivisch kann davon ausgegangen werden, dass sich dieser Nachteil durch die stetig steigende Nachfrage und ein zwangsläufig wachsendes Angebot der am Markt verfügbaren Biopolymer-Systeme in den nächsten Jahren amortisieren wird.

Autoren

Dipl.-Ing. (FH) Martin Fritz
Technischer Angestellter – Naturstoffkomposite
Geschäftsfeld Polymeranwendungen
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMH

Dipl.-Ing. (FH) Matthias Weps
Technischer Angestellter – Naturstoffkomposite
Geschäftsfeld Polymeranwendungen
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWMH

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